2015年电子设计大赛综合测评题课程设计

1、2015年电子设计大赛综合测评试题郑州轻工业学院电子技术课程设计题 目：2015年电赛测评试题姓 名：王苗龙专业班级：电信13-01学 号： 541301030134院（系）：电子信息工程学院指导教师:曹卫锋 谢泽会完成时间：2015年10月29日郑州轻工业学院课程设计任务书题目2015年电子设计大赛综合测评试题专业电信工程13-1学号 541301030134 姓名 王苗龙主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容1. 阅读相关科技文献。2. 学习电子制图软件的使用。3. 学会整理和总结设计文档报告。4. 学习如何查找器件手册及相关参数。技术要求1、 使用555时基电路产生频率 20kHz

2、-50kHz连续可调，输出电压幅度为1V的方波I;2、 使用数字电路 74LS74,产生频率5kHz-10kHz连续可调，输出电压幅度为1V的方波H;3、 使用数字电路74LS74,产生频率5kHz-10kHz连续可调，输出电压幅度峰峰值为3V的三角波;4、 产生输出频率为 20kHz-30kHz连续可调，输出电压幅度峰峰值为3V的正弦波I;5、 产生输出频率为 250kHz,输出电压幅度峰峰值为 8V的正弦波H; 方波、三角波和正弦波的 波形应无明显失真（使用示波器测量时） 。频率误差不大于 5%;通带内输出电压幅度峰峰值误差 不大于5%主要参考资料1 .何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社

3、，2010年8月2 .姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月3. 王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月4. 李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5. 康华光，电子技术基础，高教出版社，2006年1月完成期限： 2015 年10月30日指导教师签章：专业负责人签章：2015年10月26日2015年电子设计大赛综合测评试题摘要模拟电路中,多种波形产生电路届于信号的运算与处理电路,它主要由信号产生电路、信号运算电路、信号处理电路构成。555定时器是一种模拟和数字功能相结合 的中规模集成器件，可通过一定数目的电容、电阻构

4、成多谐振荡器。74ls74是一种上升沿双D触发器芯片，可以对信号分频处理。LM324为四通道运放集成芯片，可以 构成信号基本运算电路。本课程设计的基本目标：使用555多谐振荡器产生方波作为 信号源，由74ls74对信号进行四分频处理，由LM324四运放芯片对信号分别独立进 行积分运算、低通滤波运算，带通滤波运算从而得到所需波形。通过理论计算分析， 最终实现规定的电路要求，并做成实物，经过反复检测，符合设计要求。关键词：波形产生分频信号运算信号处理1设计方案 11设计方案 12多波形产生电路设计 22.1设计原理 22.2整体流程框图 23单元电路设计 33.1 555多谐振荡器 33.2 74

5、ls74分频电路 33.3 积分电路 43.4低通滤波器 53.5带通滤波器 64元件参数选择 84.1 555多谐振荡器 84.2 74ls74分频电路 84.3积分电路 84.4低通滤波器 94.5带通滤波器 95结论 106个人总结 11参考文献 12附录1电路原理图及元件清单 13附录2 PCB及实物照片 142015年电子设计大赛综合测评试题1设计方案1设计方案使用555和外围电路构成多谐振荡器，产生20kHz-50kHz的方波作为信号源， 利用此方波作为基本信号。将基本信号通过电阻分压可得到电压幅度IV、20kHz-50kHz连续可调的方波I ;将基本信号通过74ls74双D触发器

6、进行四分频， 然后电阻分压得到5kHz-10kHz连续可调电压幅度为1V的方波II ;将方波II通 过由LM324四通道运放构成的积分电路，得到 5kHz-10kHz连续可调电压幅度峰 峰值为3V的三角波；将方波I通过由LM324四通道运放构成的低通滤波器，得 到20kHz-50kHz连续可调电压幅度峰峰值为 3V的正弦波I ;将基本信号固定频 率，然后通过由LM324®通道运放构成的带通滤波器，得到250 kHz左右的正弦波,再通过由LM324四通道运放构成的低通滤波器，得到250k峰峰值8V的正弦 波II o152多波形产生电路设计2.1设计原理555多谐振荡器：电源接通时，55

7、5的3脚输出高电平，同时电源通过 R1R2 向电容c充电，当c上的电压到达555集成电路6脚的阀值电压（2/3电源电压） 时，555的7脚把电容里的电放掉，3脚由高电平变成低电平*。当电容的电压降 到1/3电源电压时,3脚乂变为高电平，同时电源再次经 R1R2向电容充电。这 样周而复始，形成振荡。74ls74四分频：74LS74是个双D触发器，把其中的一个D触发器的Q非输 出端接到D输入端，时钟信号输入端CLOC接时钟输入信号，这样每来一次CLOCK 脉冲，D触发器的状态就会翻转一次，每两次 CLOCIB冲就会使D触发器输出一 个完整的方波，这就实现了二分频。把同一片74LS74上的两路D触发

8、器申联起来，其中一个D触发器的输出作为另一个D触发器的时钟信号，这就实现了四分 频。LM324:四通道运算放大器，与一定数目的电阻电容可以构成积分电路、 低通 滤波器、带通滤波器，从而实现信号的运算处理。2.2整体流程框图整体设计框图图2-1多波形产生器设计框图如图2-1展示了此多波形产生电路的基本工作流程，经过仿真验证证明此电路的可行性。3单元电路设计3.1 555多谐振荡器由555定时器和外接元件 R1、R2和C构成的多谐振荡器，2脚与6脚直接相连，电路没有稳态，只有两个暂稳态，电路也不需要外加触发信号，利 用电源通过R1、R2向电容C充电，使电路产生震荡，电容在1/3VCC和2/3VCC

9、之间充电和放电，其仿真波形如图3-2所示，实测波形如图 3-3所示图3-1 555多谐振荡器调节电位器R2的阻值就可以调整所产生方波的频率。外部元件的稳定性决 定了多谐振荡器的稳定性，该电路用少量的元件就可以获得高精度震荡频率和较 强的功率输出能力，输出的方波经过电阻分压就得到了稳定的 20kHz-50kHz连续 可调的方波I。所以该电路符合设计要求。图3-2仿真波形3-3实测波形3.2 74ls74分频电路一个74ls74集成芯片有两个D触发器，一个D触发器可以组成一个二分频 电路，把其中的一个D触发器的Q非输出端接到D输入端，时钟信号输入端CLOCK 接时钟输入信号，这样每来一次 CLOC

10、IB冲，D触发器的状态就会翻转一次，每 两次CLOC脉冲就会使D触发器输出一个完整的正方波，这就实现了信号二分频。 二分频电路输入信号过零上升沿每到来一次二分频器状态翻转一次便可得到二 分频，把两个D触发器申联起来，就是四分频电路。丁是基本方波信号就被分频 成了 5kHz-10 kHz的方波，然后经过分压电路，就得到 5kHz-10 kHz的方波幅值 为1V的方波II 074ls74四分频电路原理如图3-4所示，仿真效果如图3-5所示，实测效果 如图3-6所示VGCxsciIRTUAL74LS74D :. k4.1. k di. « d ja 4 k j i.图3-4分频电路原理图3

11、-5仿真波形图3-6实测波形3.3积分电路积分电路可以用来进行波形变换，由丁交流信号需要和偏置电压复合，以 偏置电压为参考点，交流信号分别位丁正负半周，为了使积分输出的波形更稳 定，也为了使电路输出振幅符合题意要求，需要设置参考电压。这里设置的参 考电压为2.5V，由于只有10V单电源供电，选用5V稳压管，将电压稳到5V,然后进行分压，从而得到2.5V参考电压，其电路如图3-7所示。积分电路是使 输出信号与输入信号的时间积分值成比例的电路, 积分电路可将矩形脉冲波转换 为三角波，积分电路原理如图3-8所示。提供ZSV基准电压积分电将一方波积分三拘波图3-8积分电路图3-7参考电压电路将5kHz

12、-10kHz连续可调的方波进行积分，得到 5kHz-10kHz峰峰值3V 的三角波，其仿真波形如图3-9所示，实测波形如图3-10所示。图3-9仿真波形图3-9实测波形3.4低通滤波器低通滤波器由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其中同相比例放 大电路具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点。低通滤波器是容许低丁截止频率的 信号通过， 但高丁截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。低通滤波器的作 用是抑制高频信号，通过低频信号。简单理解，可认为是通低频、阻高频。低通 滤波器包括有源低通滤波器和无源低通滤波器，无源低通滤波器通常由电阻、电容组成，也有采用电阻、电感和电容组成的。有源低通滤波器一般由电

13、阻、电容 及运算放大器构成，这里所用的是有缘低通滤波器。低通滤波器电路图如图 3-10。图3-10低通滤波器任何周期信号，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的叠加。而贯穿时 域与频域的方法之一，就是传中说的傅里叶分解。此处20kHz-30kHz的方波信号 就可以用低通滤波器将其中的正弦波分离出来然后得到电压峰峰值为 3V、连续 可调的20kHz-30kHz正弦波信号I。仿真信号如图3-11，实测信号如图3-12。图3-11仿真波形图3-12实测波形3.5带通滤波器带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备，也就是通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水

14、平的滤 波器。任何一个周期信号都可以展开成傅里叶级数，也就是若干次正弦波之和， 根据这一原理，可以用带通滤波器，将频带设置在250kHz左右就可以。本电路将通频带设置在250kHz+20H2问，得到谐波分量，然后再用低通滤波器将高丁 250kHz的谐波分量滤除，即得到250kHz的正弦波分量。此处带通滤波器和低通 滤波器共同工作对50kHz的方波进行选择分离，得到固定频率250kHz峰峰值8V 的正弦波。电路如图3-13所示。的心"的正信诚 哪惬通祯被器_选耻5职正弦族图3-13正弦波选频电路图3-14仿真波形图3-15实测波形4元件参数选择4.1 555多谐振荡器555电路要求R1

15、、R2均应大于或等于1k Q,但R1+R2®小于3.3MQ。其输 出信号的时间参数是：T=tw1+tw2tw1=0.7(R1+R2)*C tw2=0.7R2*C f=1/T所以调节R2的阻值，就可以调节所产生方波的频率，然后调节输出端的滑 动变阻器就可以调节所产生方波的幅值。4.2 74ls74 分频器分频就是用同一个时钟信号通过一定的电路结构转变成不同频率的时钟信号。四分频就是通过有分频作用的电路结构， 在时钟每触发4个周期时，电路输 出1个周期信号。用一个脉冲时钟触发一个计数器，计数器每计4个数就活零一 次并输出1个脉冲，那么这个电路就实现了四分频功能。Cp接时钟，Q=1,D=/

16、Q=OUT,R=S=0(地)，就是Q端接高电平,D端接Q非, 值位复位端都接地。这就组成了一个二分频D触发器，两个D触发器申联，就构 成了四分频器。4.3积分电路若要进行积分电路信号的积分运算，可选用基本积分电路。首先确定时间常数r =RC i的大小决定了积分速度的快慢。其次选择电路元件：当时间常数 T =RC定后，就可以选择R和C的值，积 分电路的输入电阻Ri=R,因此往往希望R的值大一些。最后确定RP Rf: RP为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调；在积分电容的两端并联一个电阻 Rf,防止积分漂移所造成的饱和或截止现象。于是得到计算公式：f=1/ (2兀 RCVo=-(Vs/RC

17、)*t=-(Vs/ r )t4.4低通滤波器低通滤波器是有两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点就是输 入阻抗高，输出阻抗低。低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的滤波装置。20kHz-30kHz的方波经过低通滤波器后可 以将20kHz-30kHz正弦波过滤出来。低通滤波器的通带电压增益：Ao=Avf=1+Rf/R1 f=1/ (2兀 RC4.5带通滤波器带通滤波器的带宽为上限截止频率与下限截止频率之差。在有源带通滤波器的中心频率fo处：电压增益Ao=B3/2B1品质因数：3dB带宽 B=1/ ( n *R3*C)也可根据设计确定的Q fo、Ao值，求出

18、带通滤波器的各元件参数值。R1=Q/ (2n foAoC)R2=Q/( (2Q2-A6 *2 n foC)R3=2Q/ (2n foC)。上式中，C取0.01Uf o带通滤波器亦可用于一般的选频放大。5结论1. 学生电源提供的电压对波形的影响：实物测试时由于电压有毛刺对波形稳定产生影响，为了上波形测试时稳定， 采用了三节18650电池供电使输出波形较稳定，并且工作在电源提供的电压范围 之内，否则会出现失真。并且仿真电路测试效果与实物测试相差其大，所以电阻 采用电位器测试，以便于调试。2. 单电源和双电源的区别及其对电路的影响：运放采用单电源供电时，积分电路不能工作，所以采用参考电压，以保证波

19、形稳定，且振幅最大。3. 模块与模块之间的链接存在相互影响：虽然总体电路运行仿真成功，但是做成实物时，各功能模块的波形会受到其 他模块的影响，失真交严重。处理办法是在各模块之间加入耦合电容。 由于最后 250kHz正弦波,由于波形有毛刺，为了使波形稳定，申联进去一个磁珠，输出 波形较为符合预期标准。所以整体电路设计符合设计目标。4. 仿真与实物效果相差甚远，需要耐心进行调试，有可能实物参数与仿真参数不 符合，需要进行更换元件参数，然后再进行调试。6个人总结在课程设计过程中，我不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最 终的检测调试环节，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和

20、其具体的使用方法。也锻炼了我独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决 问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我了解课程 设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。设计本身并不是有很重要的意义， 而 是对待问题时的态度和处理事情的能力。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，学到很多很多的东 西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识， 而且学到了很多在书本上所没有学 到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得 出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思

21、考的能力。 在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升, 不 仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。 更重要 的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是以后最实用的，真的是 受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对 丁以后工作也有很大的帮助。参考文献1 .何小艇，电子系统设计，浙7工大学出版社，2005年6月。2 .姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2007年10月。3. 吉勇，模拟电路，科学出版社，2007年6月。4. 李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月。5. 康华光，电子技术基础，高教出版社，2003。6. 田英，电子技术基础实践教程，山东科学技术出版社，2003年10月。7. 高